麻省理工科研组研发出二维材料与新型超薄防护涂层

二维材料可在光学、电子或光电应用领域发挥其优异的特性，但由于其遇氧气和水汽时会发生急速降解，使其应用受到极大限制。而之前研发出来的防护涂层既贵又有毒性，且不易被剥离去除。

二维材料形成的薄片仅有1个或几个原子的厚度，且由于二维材料具有独特的电子和光学特性，其应用前景广阔，例如高灵敏度的光感探测器。但是，当暴露于潮湿空气或各种化学品环境中时，大多数二维材料包括黑磷以及硫族过渡金属材料都会发生腐蚀。甚至在短短几小时内就发生明显的性能失效，这导致二维材料在实际应用中受到很大的限制。

研究人员指出，“为二维材料研发一种防护层是关键的课题，如果不能在空气中使二维材料稳定，对它们的利用就会受到限制。”硅在电子设备中是一种应用很普遍的材料，之所以如此，是因为硅暴露于空气环境中时，其表面会自然生成一种二氧化硅保护层，防止其表面进一步受损。但是对于那些超薄二维材料而言，难度要大得多。

曾尝试用防护涂层来涂覆各种二维材料，但是到目前为止，进展不大。大多数防护涂层比二维材料本身要厚得多，而且也非常脆，容易产生裂纹，腐蚀性液体或气体能从中渗透。另外，这些防护涂层大多数毒性大，在工艺上不好处理。

研究人员指出，这种新型涂层是基于一种直链烷基胺的化合物，改善了上述缺陷。该涂层材料能以厚度仅为1 nm的超薄层形式进行涂覆，并且在涂覆后进一步加热该材料可以修复微小的裂缝，从而形成连续的屏蔽层。该涂层不仅能抵御各种液体和溶剂的渗透，还能有效阻止氧气的渗透。另外，根据需要，可以采用某类有机酸将该屏蔽层剥离。

研究人员指出，这是保护超薄二维材料的一种独特方法，它会产生厚度仅为1个分子厚的屏蔽涂层，即单分子层，而且防护非常持久。能使二维材料的使用寿命延长了100倍，从几个小时延长到 几个月。另外，这种涂层不贵、易施工。

除了对这些新型防护涂层的分子行为进行理论模型分析外，研究团队还将新型涂层对由过渡金属超薄材料制成的光电探测器进行防护，以此作为验证试验，新型涂层具有超疏水性，能有效抑制水扩散到涂层中，从而避免水溶解掉涂层中自然形成的保护性氧化层而消除腐蚀的发生。

新型涂层涂覆工艺简单，将二维材料浸入液态己胺（线性烷基胺的一种形式）中，约20 min后即可在常压、130℃温度条件下形成防护层。然后再浸入气相己胺中，使防护层光滑平整无裂缝。

该涂层的应用能为二维材料（如硫族过渡金属、黑磷，也包括硅及其他相关材料）开辟新的应用研究。由于黑磷是所有这些材料中最易受破坏且最容易降解的物质，因此该团队先从黑磷的防护着手研究。

该研究团队的成员来自美国麻省理工学院的核科学与工程系、化学系、材料科学与工程系、电气工程与计算机科学系以及电子研究实验室；澳大利亚国立大学；中国科学院大学；丹麦奥尔胡斯大学；英国牛津大学；日本信州大学。